保溫套襯對季凍區(qū)隧道空氣動力學(xué)的影響研究

劉龍衛(wèi) 侯占鰲 崔光耀 祁家所

(1. 中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司， 重慶 401123；2. 北方工業(yè)大學(xué)， 北京 100144)

我國季節(jié)性凍土面積遼闊，占版圖面積的53.5%，其中西北、華北、東北以及西南高海拔山區(qū)分布密集[1]。近年來，我國交通基礎(chǔ)設(shè)施持續(xù)、深入發(fā)展，季凍區(qū)鐵路隧道大量涌現(xiàn)，運(yùn)營期間凍害不斷出現(xiàn)，其危害已嚴(yán)重影響鐵路隧道的運(yùn)營安全。

研究表明，聚氨酯-波紋鋼板保溫套襯對季凍區(qū)隧道保溫效果明顯[2-3]。但隧道的凈空面積會因保溫套襯的增設(shè)相對減少，這將對隧道內(nèi)列車高速通過時的空氣動力學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生影響。目前國內(nèi)外專家、學(xué)者主要對不同隧道長度、速度等級、緩沖結(jié)構(gòu)等因素進(jìn)行了大量研究[4-11]，但對于隧道不同凈空面積的研究，特別是對隧道增設(shè)套襯對于襯砌空氣動力學(xué)影響方面的研究較少。本文基于有限體積法，采用CFD流體動力學(xué)軟件進(jìn)行建模，后將模型導(dǎo)入Fluent進(jìn)行計算并輸出計算結(jié)果。建立列車在不同凈空面積下以一定速度通過隧道的Fluent計算模型，使用滑移網(wǎng)格技術(shù)，模擬運(yùn)動狀態(tài)下，列車在隧道內(nèi)穿行時的三維非定?？蓧嚎s理想空氣流場，研究高速列車在隧道不同位置時，隧道襯砌空氣動力學(xué)效應(yīng)的變化規(guī)律。

1 榆樹川隧道工程概況

榆樹川隧道處于布爾哈通河低山丘陵區(qū)，隧道最大埋深158 m，全長 2 211 m，進(jìn)口里程DK 237+624，出口里程DK 239+835。布爾哈通河低山丘陵區(qū)屬于北亞溫帶濕潤半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，最冷月的平均氣溫為-15.2 ℃，根據(jù)影響鐵路工程的氣候分區(qū)，布爾哈通河低山丘陵區(qū)為嚴(yán)寒地區(qū)。冬季酷寒漫長，夏季溫暖短促，極端最低氣溫曾達(dá) -37.1 ℃，因此隧道設(shè)計需增設(shè)保溫套襯。已知隧道掌子面未增設(shè)保溫套襯時的內(nèi)輪廓凈空面積為72 m2，增設(shè)保溫套襯后的隧道凈空面積減少為 69 m2，隧道掌子面設(shè)計如圖1所示。

圖1 掌子面設(shè)計圖(m)

2 數(shù)值模擬模型建立

采用計算流體動力學(xué)軟件CFD、FLUENT共同完成此次模擬。由于CFD軟件自帶的滑移網(wǎng)格劃分技術(shù)能夠很好地模擬三維非定?？蓧嚎s流場，因此采用CFD進(jìn)行模型全程的建立與網(wǎng)格劃分。FLUENT通過有限體積算法，把整個流體計算模型進(jìn)行區(qū)域分類，將區(qū)域模型劃分為系列控制體積，然后對劃分好的控制體積進(jìn)行待解微分方程積分，最終解得一組積分后的離散方程。

列車穿行隧道的空氣動力學(xué)計算過程屬于大區(qū)域變形運(yùn)動過程，CFD的滑移網(wǎng)格技術(shù)是針對大區(qū)域變形運(yùn)動的網(wǎng)格劃分技術(shù)，其流體網(wǎng)格根據(jù)隧道內(nèi)列車位置的不斷變化而作相應(yīng)調(diào)整，要求每一個時間步均需向CFD計算提供計算信息。

本文將計算域分為隧道、空氣、車體三部分?？諝鉅顟B(tài)采用密度為1.185 kg/m3的可壓縮空氣。

2.1 計算模型

數(shù)值模擬列車高速通過隧道時的三維非定常可壓縮理想空氣流場，分別計算200 km/h列車通過增設(shè)保溫套襯隧道(凈空面積為 69 m2)和未增設(shè)保溫套襯隧道(內(nèi)輪廓凈空面積為72 m2)兩個流場[12]。受列車的復(fù)雜外形和FLAC3D計算條件的限制，在不影響模型計算精度的情況下，對列車模型作適當(dāng)簡化，隧道長取200 m，F(xiàn)LUENT列車隧道模型如圖2所示。

圖2 fluent模型圖

2.2 計算網(wǎng)格

由于客運(yùn)專線列車高速通過隧道引起的流場變化屬于三維非定常問題，模型網(wǎng)格技術(shù)采用分區(qū)對接網(wǎng)格。其中地面、襯砌、隧道采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格離散，列車采用四面體的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。不斷重劃分共同滑移面之間網(wǎng)格，可將數(shù)據(jù)在各區(qū)域間完成交換。

2.3 邊界條件設(shè)置

本文fluent模型設(shè)置出口、速度和固定壁面邊界。具體設(shè)置如下：(1)速度邊界根據(jù)不同的列車速度分別設(shè)置；(2)隧道內(nèi)部氣壓與外部大氣相通，出口邊界設(shè)置壓力出口邊界；(3)軌道壁面、列車壁面、隧道壁面均設(shè)置為固定壁面，邊界條件為無滑動位移，模型流體速度為0[13]。

2.4 測點(diǎn)布置

沿隧道入口每隔50 m設(shè)置1個監(jiān)測斷面，共設(shè)置3個(分別為隧道進(jìn)口、隧道中部、隧道出口)監(jiān)測斷面，監(jiān)測點(diǎn)的斷面布置如圖3所示，斷面監(jiān)測點(diǎn)布置如圖4所示。

圖3 監(jiān)測斷面布置圖

圖4 監(jiān)測點(diǎn)布置圖

3 計算結(jié)果分析

列車分別在未增設(shè)保溫套襯隧道(內(nèi)輪廓凈空面積為72 m2)與增設(shè)保溫套襯隧道(凈空面積為 69 m2)運(yùn)行0～1.08 s的隧道襯砌壓力如圖5～圖12所示。

圖5 0 s未增設(shè)保溫套襯隧道襯砌壓力云圖(Pa)

圖6 0 s增設(shè)保溫套襯隧道襯砌壓力云圖(Pa)

圖7 0.36 s未增設(shè)保溫套襯隧道襯砌壓力云圖(Pa)

圖8 0.36 s增設(shè)保溫套襯隧道襯砌壓力云圖(Pa)

圖9 0.72 s未增設(shè)保溫套襯隧道襯砌壓力云圖(Pa)

圖10 0.72 s增設(shè)保溫套襯隧道襯砌壓力云圖(Pa)

圖11 1.08 s未增設(shè)保溫套襯隧道襯砌壓力云圖(Pa)

圖12 1.08 s增設(shè)保溫套襯隧道襯砌壓力云圖(Pa)

由圖5～圖12可知，隧道襯砌所受壓力的最大值部位隨列車的運(yùn)行一同移動。在列車行駛到同一位置時，增設(shè)保溫套襯隧道的襯砌壓力均大于未增設(shè)保溫套襯隧道的襯砌壓力。

當(dāng)列車全程通過時，未增設(shè)保溫套襯隧道(內(nèi)輪廓凈空面積為72 m2)與增設(shè)保溫套襯隧道(凈空面積為69 m2)襯砌在隧道進(jìn)口、隧道中部、隧道出口處的壓力變化如表1、表2所示。

表1 未增設(shè)保溫套襯隧道襯砌壓力表

表2 增設(shè)保溫套襯隧道襯砌壓力表

由表1可知，當(dāng)列車接近某一位置襯砌時，該位置襯砌壓力達(dá)到最大值，由表2可知，隧道凈空面積減小后，隧道襯砌壓力明顯增大。

未增設(shè)保溫套襯隧道(內(nèi)輪廓凈空面積為72 m2)與增設(shè)保溫套襯隧道(凈空面積為69 m2)襯砌的壓力變化如圖13～圖15所示。

圖13 隧道進(jìn)口襯砌壓力變化圖

圖14 隧道中部襯砌壓力變化圖

圖15 隧道出口襯砌壓力變化圖

由圖13～圖15可知，在車頭到達(dá)時，隧道襯砌內(nèi)壁壓力變化達(dá)到最大，無論是否增設(shè)套襯，隧道襯砌內(nèi)壁在車頭到達(dá)時的壓力變化均達(dá)到最大。隧道增設(shè)保溫套襯后，由于凈空面積的減小，襯砌空氣動力學(xué)影響增加，在車頭到達(dá)時，隧道進(jìn)口襯砌壓力變化較未增設(shè)保溫套襯增加2.93%，中部襯砌壓力變化較未增設(shè)保溫套襯增加6.29%，出口襯砌壓力變化較未增設(shè)保溫套襯增加3.22%。

不同凈空面積隧道不同位置的襯砌壓力變化最大值如圖16所示。

圖16 隧道襯砌壓力變化最大值圖

由圖16可知，隧道襯砌所受壓力變化最大值均出現(xiàn)在隧道中部以后，隧道中部以后的壓力變化最大值成收斂趨勢，隧道進(jìn)口至中部的壓力變化最大值相對較小，成線性增長趨勢。

4 結(jié)論

(1)隧道襯砌內(nèi)空氣動力學(xué)影響在列車車頭到達(dá)時達(dá)到最大，車頭經(jīng)過后空氣動力學(xué)影響逐漸減弱。

(2)當(dāng)隧道凈空面積由72 m2減少為69 m2時，空氣動力學(xué)影響受凈空面積的減少而增大，隧道進(jìn)口襯砌壓力變化增加2.93%，中部襯砌壓力變化增加6.29%，出口襯砌壓力變化增加3.22%。

(3)季凍區(qū)隧道增設(shè)保溫套襯后，隧道空氣動力學(xué)影響增大，空氣動力學(xué)影響最大處出現(xiàn)在隧道中部以后。

(4)列車運(yùn)行穿過隧道中部后，隧道襯砌壓力變化最大值成收斂趨勢，之后不再增長。